肖紅紗，井 翠，鄭 健，陳賢德，鐘 高，林曉海

(1.四川長(zhǎng)寧天然氣開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610056； 2.安東石油技術(shù)(集團(tuán))有限公司，北京 100102)

0 引 言

長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣田區(qū)域構(gòu)造上處于川南低陡穹形帶，婁山關(guān)褶皺帶北部，長(zhǎng)寧背斜南翼，為一個(gè)完整的向斜(圖1)，目的層為五峰組-龍馬溪組的龍一1亞段。靶體厚度薄，且受多期構(gòu)造影響，發(fā)育北東-南西、北向、近東西向三組斷裂體系，均為逆斷層，斷層規(guī)模以中小斷層為主，10 m左右的斷層可以造成鉆井軌跡出箱體，以往在斷層刻畫方面識(shí)別出的斷層主要是斷距大于20 m以上的斷層，對(duì)未造成地震軸錯(cuò)斷的微小斷層往往認(rèn)為是地層局部微起伏而沒(méi)有識(shí)別出來(lái)。但是，通過(guò)精細(xì)地震資料研究并結(jié)合實(shí)鉆資料分析認(rèn)為，長(zhǎng)寧地區(qū)存在大量斷距小于20 m的微小斷層，對(duì)鉆井和壓裂工程均可能造成直接的影響，比如降低優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率，造成井漏、卡鉆、壓裂套變以及加砂難等問(wèn)題，識(shí)別出這些微斷裂，對(duì)提前預(yù)警，降低工程風(fēng)險(xiǎn)具有重要的實(shí)際意義。

圖1 長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣田地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Geological sketch map of Changning Shale Gas Field

1 長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣田斷裂分級(jí)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

1.1 斷裂分級(jí)現(xiàn)狀

在四川盆地頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域斷裂分級(jí)、分類大致總結(jié)有以下三種。

第一種是根據(jù)斷層的發(fā)育規(guī)模、地震資料可識(shí)別程度、斷裂在頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)中作用將其分為三類，這種分類法把斷裂和裂縫合在一起，并非傳統(tǒng)意義上斷裂分級(jí)、分類。如石存英等[1-2]、李鴻明等[3]認(rèn)為Ⅰ類斷層為區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所引起，控制著不同的構(gòu)造帶，斷距在幾十米至數(shù)千米，地震資料上可見(jiàn)明顯的同相軸錯(cuò)斷現(xiàn)象；Ⅱ類斷層形成于構(gòu)造作用或沉積、成巖作用過(guò)程，控制局部構(gòu)造的形成斷距一般在幾米至幾十米，地震資料上可見(jiàn)同相軸的扭動(dòng)或振幅的變化，一般情況下，通過(guò)曲率、相干、螞蟻體等地震屬性方法可進(jìn)行識(shí)別；Ⅲ類斷層主要為微斷層和裂縫，其規(guī)模更小，通常為地層褶皺、斷層作用或成巖作用引起，地下分布主要為網(wǎng)狀，規(guī)模小于米級(jí)，表現(xiàn)為小斷距或微斷距。王高成等[4]、石學(xué)文等[5]根據(jù)斷層幾何學(xué)特征將斷裂分為大尺度、中尺度、小尺度。

第二種是根據(jù)斷裂上下盤的接觸關(guān)系、斷裂位移大小和斷層在地表變形的尺度，將研究區(qū)內(nèi)斷裂變形分為基底逆沖斷裂、深大逆沖斷裂、層間滑脫斷裂三個(gè)等級(jí)。Ⅰ級(jí)基底逆沖斷裂具有深度大、位移大、延伸長(zhǎng)的特征；Ⅱ級(jí)深大逆沖斷裂具有與基地逆沖斷裂相似的特征，但規(guī)模較其有所減??；Ⅲ級(jí)層間滑脫斷裂規(guī)模大幅度縮減，僅在幾套地層或者是一套地層中發(fā)生斷裂變形[6-7]。

第三種是根據(jù)斷裂延伸長(zhǎng)度、斷距大小進(jìn)行分類，將四川盆地?cái)嗔寻凑找?guī)模劃分為四級(jí)[8]，余光春等[9]、王林琪等[10]、肖盼盼等[11]進(jìn)一步論述一級(jí)斷裂為控盆斷裂，延伸一般大于100 km，斷距一般大于1 000 m；二級(jí)斷裂為控制二級(jí)構(gòu)造單元的斷裂，延伸40～100 km，斷距一般為500～1 000 m；三級(jí)斷裂為控制局部構(gòu)造的斷裂，一般與二級(jí)斷裂具有成因關(guān)系，延伸20～40 km，斷距一般為100～500 m；四級(jí)斷裂為局部構(gòu)造內(nèi)部小斷裂，延伸一般小于20 km，斷距一般小于100 m。這種分類對(duì)于長(zhǎng)寧地區(qū)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)而言分級(jí)尺度偏大。

根據(jù)前人研究成果，長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣田斷層主要分為四級(jí)(表1中前四項(xiàng))。Ⅰ級(jí)斷層為向上斷開(kāi)至地面的大斷層，斷距大于300 m，對(duì)構(gòu)造有控制作用，對(duì)頁(yè)巖氣保存有較大破壞作用；Ⅱ級(jí)斷層向上斷開(kāi)至二疊系或三疊系，斷距300～100 m，斷層對(duì)頁(yè)巖氣保存有一定影響，對(duì)鉆井等工程施工影響大，不僅造成井漏復(fù)雜，也使得入靶困難或軌跡明顯偏離目的層，回追困難；Ⅲ級(jí)斷層向上斷開(kāi)志留系內(nèi)部地層，斷距一般在100～40 m，會(huì)在一定程度上導(dǎo)致軌跡出箱體，造成無(wú)效進(jìn)尺；Ⅳ級(jí)斷層一般為向上只斷開(kāi)龍馬溪組，斷層落差40～20 m，斷層對(duì)頁(yè)巖氣保存無(wú)影響，但會(huì)導(dǎo)致軌跡出箱體造成無(wú)效進(jìn)尺。

表1 奧陶系五峰組底界斷裂分級(jí)表Table 1 Classification table of bottom boundary faults of Ordovician Wufeng Formation

1.2 現(xiàn)斷裂分級(jí)存在的問(wèn)題

從以上分級(jí)可以看出，長(zhǎng)寧地區(qū)目前只是識(shí)別斷距大于20 m的斷層，忽略了該地區(qū)存在的微小斷裂，這些斷裂盡管在目的層位置地震同相軸并未錯(cuò)開(kāi)，只有彎曲顯示，但這是由地震分辨率不足引起的，實(shí)際地層縱向上錯(cuò)斷，如不及時(shí)識(shí)別這些微斷裂，將給鉆井及壓裂工程帶來(lái)潛在風(fēng)險(xiǎn)。在近些年鉆井跟蹤過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，部分井在原鉆井設(shè)計(jì)構(gòu)造圖上未識(shí)別出斷裂的位置導(dǎo)致出現(xiàn)了鉆頭出箱體、卡鉆等復(fù)雜工程情況，在這些位置均有微斷裂反應(yīng)，因此，對(duì)長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣斷裂進(jìn)行更精細(xì)的分級(jí)，及時(shí)識(shí)別發(fā)現(xiàn)微斷裂是非常重要和必須的。

2 長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣田微斷裂識(shí)別及分類

2.1 長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣田微斷裂識(shí)別

微斷裂多數(shù)目的層地震同相軸上未錯(cuò)開(kāi)，在地震相干體上無(wú)明顯反映，但與Ⅰ級(jí)斷層～Ⅳ級(jí)斷層關(guān)系密切，在目的層下伏地層中往上有較顯著的斷層顯示。 下部可見(jiàn)明顯的同相軸錯(cuò)段，并向上延伸，錯(cuò)開(kāi)幅度逐漸減小，到頁(yè)巖目的層段由于斷距縮小，而僅顯示地層局部地震同相軸撓曲現(xiàn)象，為了準(zhǔn)確識(shí)別和刻畫微斷裂，筆者綜合利用沿層切片、相干體、螞蟻體、曲率體、圖分析等手段進(jìn)行微斷裂識(shí)別。建立了第Ⅴ級(jí)斷裂，即微斷裂的分類原則和識(shí)別方法。

1) 斷裂展布法解釋區(qū)域構(gòu)造形態(tài)。斷裂展布法是用淺、中、深特征相對(duì)比較明顯的若干個(gè)反射層位來(lái)確定斷層的位置，然后對(duì)每條斷層像層面一樣逐點(diǎn)閉合，下部顯示明顯的斷點(diǎn)位置向上追蹤解釋，使微斷層可被有效識(shí)別。

2) 形成相干數(shù)據(jù)體，了解斷層展布規(guī)律。斷層附近的地震道通常與相鄰道有不同的地震特征，從而會(huì)出現(xiàn)局部的道與道之間的相干性的突變，在相干數(shù)據(jù)體切片上就能得到斷層面附近有規(guī)律的低相干值，這些低相干值能真實(shí)地反映出斷裂的展布規(guī)律。

3) 充分利用層切片。在沿層切片上，斷層兩側(cè)及斷裂位置在地震反射特征存在明顯的差別，根據(jù)同相軸的振幅、頻率、連續(xù)性以及異常方向等能較好地識(shí)別出斷層。

4) 分析目標(biāo)層和相鄰層構(gòu)造行跡上關(guān)聯(lián)性，利用沿層提取螞蟻體、曲率體屬性，核查斷裂解釋的合理性和完整性。

長(zhǎng)寧地區(qū)地震品質(zhì)相對(duì)較好，依據(jù)五級(jí)斷層分級(jí)原則及上述識(shí)別方法對(duì)長(zhǎng)寧三維區(qū)進(jìn)行精細(xì)構(gòu)造解釋，解釋成果與前期研究的構(gòu)造圖對(duì)比，整體構(gòu)造認(rèn)識(shí)基本一致，斷裂得到進(jìn)一步落實(shí)，具體表現(xiàn)在延伸了北西向斷層，增加了一系列微斷裂(圖2)。

圖2 奧陶系五峰組底界新、老斷裂對(duì)比疊合圖Fig.2 Comparison and superposition of new and old faults in the bottom boundary of Ordovician Wufeng Formation

2.2 長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣田微斷裂分類

微斷裂在地震剖面上目的層同相軸沒(méi)有明顯錯(cuò)斷，簡(jiǎn)單依據(jù)同相軸扭曲或螞蟻體、曲率體等屬性判斷微斷裂會(huì)將裂縫和因資料品質(zhì)較差造成同相軸不連續(xù)都認(rèn)作微斷裂，因而需要結(jié)合斷裂成因加以分析與判別。根據(jù)構(gòu)造形跡和斷裂平面、剖面組合特征，長(zhǎng)寧三維區(qū)微斷裂的成因主要有以下三種類型。

2.2.1 繼承性發(fā)育的微斷裂

圖3 繼承性發(fā)育型微斷裂典型地震剖面特征Fig.3 Typical seismic profile characteristics of inherited developmental micro-faults

繼承性發(fā)育的微斷裂發(fā)育于加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)晚期，消亡于龍馬溪組沉積早期的斷裂，其規(guī)模并不小，但因?yàn)槟康膶佣翁幱跀嗔严銎冢谖宸褰M底的相位上只是扭曲，同相軸并未發(fā)生明顯錯(cuò)斷，而下伏奧陶系底明顯可見(jiàn)同相軸錯(cuò)斷，如不綜合分析很容易當(dāng)成小斷裂或裂縫(圖3，圖1中A’-A位置)。通過(guò)比對(duì)奧陶系底的沿層相干屬性圖和五峰組底的螞蟻體切片(圖4和圖5)，兩圖具有很高的相似性。由此可以認(rèn)定當(dāng)五峰組底界沿層螞蟻體檢測(cè)連續(xù)性變差，且與下伏奧陶系底界沿層相干圖指示的斷裂位置相當(dāng)時(shí)，五峰組底界同相軸出現(xiàn)扭曲即為下部斷裂延向上伸到的表現(xiàn)，五峰組底同相軸扭曲即可當(dāng)微斷層解釋，斷裂走向與早期斷裂走向一致，規(guī)律性很強(qiáng)，在長(zhǎng)寧地區(qū)主要表現(xiàn)為北西走向。

圖4 奧陶系底沿層相干屬性圖Fig.4 Coherent property diagram of the bottom layer of Ordovician

圖5 五峰組底界螞蟻體屬性圖Fig.5 Attribute diagram of the bottom boundary ant tracker technique in Wufeng Formation

2.2.2 伴生型微斷裂

伴生型微斷裂主要受本區(qū)燕山期、喜山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，常與Ⅰ級(jí)斷層、Ⅱ級(jí)斷層相伴生，分布于擠壓背斜的核部，與主控?cái)鄬映蔣型組合(圖6，圖1中B’-B位置)，平面上主要分布于鼻凸構(gòu)造帶上，多呈北東走向。

圖6 伴生型微斷裂典型地震剖面特征Fig.6 Typical seismic profile characteristics of associated micro-faults

2.2.3 走滑型微斷裂

走滑型微斷裂發(fā)育于寒武系、奧陶系，消失于志留系，走向北北東，產(chǎn)狀近直立(圖7(a))，斷層橫向追蹤時(shí)而清楚，時(shí)而不清楚，但曲率體、螞蟻體屬性圖顯示比較清晰，具有一定的延展度(圖7(b))，推測(cè)與四川盆地早起拉張形成的正斷層有關(guān)。

圖7 直立型微斷裂典型地震剖面特征Fig.7 Typical seismic profile characteristics of vertical micro-faults

圖8 微斷裂造成無(wú)效進(jìn)尺降低優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率實(shí)例Fig.8 An example of ineffective footage caused by micro-faults reducing the penetration rate of high-quality reservoirs

3 微斷裂對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)工程的影響

3.1 造成無(wú)效進(jìn)尺或降低優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率

長(zhǎng)寧地區(qū)鉑金靶體薄，10 m左右斷層就可完全錯(cuò)開(kāi)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，降低優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率，尤其是當(dāng)鉆井軌跡從下盤穿越小斷層進(jìn)入上盤容易造成下出層(圖8(b))，如A平臺(tái)H*-3井軌跡由下盤向上盤穿小斷裂，目的層的同相軸扭曲，下部奧陶系底界同相軸錯(cuò)斷明顯， 原解釋作為裂縫帶處理未提示斷層， 鉆井過(guò)程中在3 748 m鉆遇斷層，造成3 748～3 938 m井段出層，出現(xiàn)190 m的無(wú)效進(jìn)尺(圖9，圖1中C’-C位置)。

3.2 造成井漏、卡鉆等復(fù)雜工程情況

F平臺(tái)H*-1井水平井段在距A靶850 m處地層產(chǎn)狀發(fā)生變化，前段地層產(chǎn)狀較緩，為下傾5.4°，后段較陡，下傾13.5°，該井水平井段在泥漿密度1.80～1.85 g/cm3情況下鉆進(jìn)過(guò)程中多次發(fā)生井漏，且發(fā)生井壁掉塊、卡鉆等復(fù)雜工程情況。結(jié)合下伏地層產(chǎn)狀及相干體分析認(rèn)為在距A靶點(diǎn)850 m處存在小斷層(圖10，圖1中D’-D位置)，同時(shí)裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果顯示水平井?dāng)喽嗵幇l(fā)育裂縫，在地層產(chǎn)狀變化處受到斷裂和裂縫帶的共同影響，造成工程復(fù)雜。

3.3 造成壓裂套變、丟段

微小斷層很可能造成壓裂套變、丟段，如G平臺(tái)H*-2井因小斷裂導(dǎo)致套變丟段725 m，占水平井段48.7%，過(guò)井軌跡地震剖面上基本未見(jiàn)斷裂，螞蟻體平面圖上清晰可見(jiàn)井軌跡與斷裂小角度斜交，從垂直于井軌跡方向切的A、B兩條地震剖面圖上可見(jiàn)微小斷裂(圖11)。

3.4 造成壓裂加砂困難,影響壓裂效果

H平臺(tái)鄰近北東走向斷裂發(fā)育區(qū)，平臺(tái)西側(cè)F5斷層為Ⅰ級(jí)斷裂，北東走向、東南傾，在工區(qū)內(nèi)延伸長(zhǎng)度10 km，落差0～350 m，斷開(kāi)奧陶系-三疊系，H平臺(tái)附近斷層落差150 m左右。根據(jù)五峰組沿層曲率體圖顯示H平臺(tái)H*-1井、H*-2井等兩口井水平井段不鉆遇斷層，H*-3井、H*-4井等兩口井水平井段鉆遇一條北東向微斷裂(圖12(a))，從近似垂直微斷層走向的地震剖面上明顯可見(jiàn)微斷裂為F5斷層的派生斷層(圖12(b))， 微斷裂從H*-4井水平井段中部穿過(guò)，斷層走向與鉆井軌跡呈小角度相交。

圖9 A平臺(tái)H*-3井水平井段地震剖面圖Fig.9 Seismic profile of horizontal well section of well H*-3 on platform A

圖10 過(guò)F平臺(tái)H*-1井水平井段地震剖面圖Fig.10 Seismic profile of horizontal well section of well H*-1 through platform F

圖11 微斷裂造成壓裂套變、丟段Fig.11 Micro-fracture causes the fracture sleeve to change and lose stage

圖12 H平臺(tái)周邊五峰組底曲率體圖及垂直斷層走向地震剖面圖Fig.12 Bottom curvature diagram and vertical fault strike seismic profile of Wufeng Formation around platform H

H平臺(tái)通過(guò)4口井交替施工的方式完成全部設(shè)計(jì)井段壓裂施工，無(wú)丟段棄段，井筒完整性良好。

H*-1井改造水平段長(zhǎng)1 164 m，共計(jì)壓裂13段，總體單段射孔簇?cái)?shù)11簇。全井段施工排量基本達(dá)到16 m3/min，全井加入支撐劑2 713 t(陶粒占比25.2%)，入井液體總計(jì)25 879 m3(低黏滑溜水占比93%)，平均單段壓裂段長(zhǎng)89.5 m，平均單段加砂量208 t，平均單段壓裂液量1 990 m3，平均加砂改造強(qiáng)度2.3 t/m，平均液量改造強(qiáng)度22.2 m3/m。

H*-2井改造水平段長(zhǎng)1 132 m，共計(jì)壓裂19段，總體單段射孔簇?cái)?shù)8簇。全井段施工排量基本達(dá)到16 m3/min，全井加入支撐劑2 748 t(陶粒占比30.7%)，入井液體總計(jì)30 096 m3(低黏滑溜水占比92%)，平均單段壓裂段長(zhǎng)59.5 m，平均單段加砂量144 t，平均單段壓裂液量1 584 m3，平均加砂改造強(qiáng)度2.42 t/m，平均液量改造強(qiáng)度26.6 m3/m。

H*-3井改造水平段長(zhǎng)1 272 m，共計(jì)壓裂17段，總體單段射孔簇?cái)?shù)8簇。全井段施工排量基本達(dá)到16 m3/min(有2段排量12～14 m3/min)，全井加入支撐劑2 567 t(陶粒占比27.9%)，入井液體總計(jì)27 979 m3(低黏滑溜水占比91%)，平均單段壓裂段長(zhǎng)74.8 m，平均單段加砂量151 t，平均單段壓裂液量1 645 m3，平均加砂改造強(qiáng)度2.1 t/m，平均液量改造強(qiáng)度22 m3/m。

H*-4井改造水平段長(zhǎng)1 242 m，共計(jì)壓裂13段，總體單段射孔簇?cái)?shù)11簇。全井段施工排量基本達(dá)到16 m3/min(有6段排量8～15 m3/min)，全井加入支撐劑2 119 t(陶粒占比23.6%)，入井液體總計(jì)25 162 m3(低黏滑溜水占比87.7%)，平均單段壓裂段長(zhǎng)95.5 m，平均單段加砂量163 t，平均單段壓裂液量1 935 m3，平均加砂改造強(qiáng)度1.7 t/m，平均液量改造強(qiáng)度20.2 m3/m。平臺(tái)各井詳細(xì)情況匯總參見(jiàn)表2。

根H平臺(tái)各井施工規(guī)模、液規(guī)模以及加砂強(qiáng)度分析，規(guī)模更大以及加砂強(qiáng)度越高，改造體積更大，越能取得更好的改造效果。但水平井段穿過(guò)微斷裂的H*-4井施工表現(xiàn)為壓力最高(圖13)，加砂難度大，加砂強(qiáng)度最低，影響了改造效果。

表2 H平臺(tái)單井壓裂施工參數(shù)匯總表Table 2 Summary of fracturing operation parameters for single well of platform H

圖13 H平臺(tái)各井部分壓裂施工參數(shù)對(duì)比Fig.13 Comparison of fracturing construction parameters of each well of platform H

4 結(jié) 論

1) 根據(jù)構(gòu)造形跡、斷裂組合特征，結(jié)合螞蟻體、曲率體等屬性識(shí)別刻畫，可有效識(shí)別長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣田微斷裂，并總結(jié)了微斷裂的分類原則及識(shí)別方法。

2) 長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣田微斷裂主要為北東向，其次為北西向，與I級(jí)斷層～I(xiàn)V級(jí)斷層方位基本一致。

3) 微斷裂給頁(yè)巖氣鉆井、壓裂都帶來(lái)負(fù)作用的幾率較大，需做好鉆前預(yù)警、軌跡優(yōu)化、壓裂方案設(shè)計(jì)及鉆井、壓裂過(guò)程的復(fù)雜處理預(yù)案。